KR101354362B1 - 흡착계 가스 분리 시스템을 위한 소음기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대체로 소음기를 사용하는 진공 송풍기 소음의 감쇠에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 진공 송풍기의 배출부 또는 공급 송풍기 입구로부터의 흡착계 가스 분리 플랜트 내의 소음을 소음기의 대기로의 개방부에서 90㏈A 수준 이하로 감소하는 저렴하고 신뢰적이며 효과적인 소음기에 관한 것이다. 소음기는 저주파수 맥동을 감쇠하기 위한 적어도 하나의 반응 챔버(28, 30, 32)와, 고주파수 소음에 대한 매체에서 소음을 감쇠하기 위한 적어도 하나의 흡수 챔버(40, 42, 44)를 포함한다.

소음, 감쇠, 소음기, 반응 챔버, 흡수 챔버

Description

흡착계 가스 분리 시스템을 위한 소음기 {SILENCER FOR ADSORPTION-BASED GAS SEPARATION SYSTEMS}

본 발명은 대체로 흡착계 가스 분리 시스템에서 소음기를 사용하여 송풍기 소음을 감쇠하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 흡착계 가스 분리 플랜트의 진공 송풍기 배출부 또는 공급 송풍기 입구에 연결된 저렴하고 신뢰적이며 효과적인 소음기에 관한 것이다. 본 발명의 소음기는 대기로 개방된 소음기에서 소음 수준을 90㏈A 수준 이하로 감소시킬 수 있다.

흡착계 가스 분리 플랜트[예컨대, 가압 교대 흡착(PSA, pressure swing adsorption) 시스템 또는 진공압 교대 흡착(VPSA, vacuum pressure swing adsorption) 시스템]는 다양한 성능으로 작동한다. 이러한 플랜트가 더 높은 제품 처리량(product throughput)을 갖기 위한 요구가 지금까지도 계속되고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 한 방법은 플랜트의 크기를 증가시키는 것이며, 이는 이러한 대규모(large tonnage)의 플랜트에 대한 최근 추세가 상업적으로 더욱 비용면에서 효율적이 되고 있기 때문이다.

대규모 VPSA 플랜트는 증가된 송풍기 크기 및/또는 속도를 요구한다. 하지만, 송풍기의 크기를 증가시키면 플랜트 내에서 발산되는 소음과 맥동의 수준도 증 가된다. 이러한 맥동은 궁극적으로 파이프, 베드 또는 플랜트 내의 최종 냉각기와 같은 다른 설비를 손상시킬 수 있는 파이프 진동을 유발할 수 있다. 또한, 이러한 맥동에 의해 발생된 소음은 환경과 공장 직원의 안전 및 건강에 위협이 될 수 있다. 예컨대, 통상적인 대형 진공 송풍기의 출구에서의 음압(sound pressure) 수준은 약 170 내지 180 ㏈ 수준까지 도달할 수 있다. 하지만, 안전, 환경 및/또는 규제 관점에서, 음압 수준은 약 90㏈A로 감소될 필요가 있다.

맥동을 감소시켜 배출된 가스에 의해 방산된 소음을 감소시키기 위해, VPSA 플랜트는 통상 진공 송풍기의 배출부에 소음기를 채용한다. 표준 VPSA 플랜트 내에서의 기존의 소음 제거는 상업적으로 구입 가능한 원통식 강-외피형 소음기(steel-shelled silencer)에 의해 제공된다. 이러한 소음기는 대형 플랜트에 대한 필요한 음향 감쇠를 제공하기 위해 길이와 직경 모두가 대형화되기 때문에, 더욱 쉽게 진동하고, 소음원으로 작용하고, 기계적으로 파손될 수 있다. 그 결과 이러한 소음기를 제조 및 유지 보수하는 비용이 증가한다. 경제성, 신뢰성 및 효율로 인해, 강-외피 소음기는 대규모 플랜트에 대해 양호하게 정률 증가(scale-up)하지 않는다. 이는 이러한 플랜트에서 송풍기 소음을 제거하는 다른 방법을 요구한다.

보커(Bokor)에게 허여된 미국 특허 제6,089,348호와 클레이(Clay) 등에게 허여된 미국 특허 제4,162,904호는 송풍기 소음을 제거하기 위한 통상적인 산업적 실예를 개시한다. 이들 특허 모두에서, 송풍기 소음은 다수의 챔버를 포함하는 강-외피식 원통형 소음기에 의해 제거 또는 소산될 수 있다는 것이 제안된다. 이러한 유형의 소음기는 소음기의 외피가 송풍기 맥동으로 인해 진동하기 때문에, 높은 수준의 맥동을 발생시키는 대형 송풍기에 비효율적이 된다. 또한, 증가된 송풍기 크기는 이러한 소음기를 제조 및 유지 보수하는 비용에 악영향을 미친다. 그 결과, 이러한 소음기는 대형 플랜트에 대해 경제적으로 정률 증가하지 않는다.

스톨쯔(Stolz) 등에게 허여된 미국 특허 제5,957,664호는 소음기에 진입하는 맥동을 약화시켜서 소음기의 성능을 개선할 수 있도록 소음기 바로 전의 송풍기의 배출 도관 내에 헬름홀츠(Helmholtz) 공명기형 맥동 완충기를 사용하는 것을 제안한다. 하지만, 이러한 방법은 상기한 공명기의 설계가 특정 설계 조건에 대한 소정의 주파수에서만 효과적이라는 점에서 제한적이다. 많은 예에서, 송풍기는 단일 주파수뿐만 아니라 고조파도 발생시킨다.

안드레아니(Andreani) 등에 허여된 미국 특허 제6,451,097호는 부분적으로 매립된 구조를 개시함으로써 송풍기 소음의 감쇠를 위한 대안적 방법을 제시한다. 이 구조는 소음을 감쇠하기 위해 임피던스 관 및 배플을 구비한다.

따라서 종래 기술에 비춰볼 때, 흡착계 가스 분리 플랜트에서 사용하기 위한 더욱 신뢰적이고 저렴하고 더욱 양호한 성능을 갖는 소음기가 제공되어야 한다.

본 발명은 대체로 소음기를 사용하는 진공 송풍기 소음의 감쇠에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 진공압 교대 흡착(VPSA) 플랜트와 같은 흡착계 가스 분리 플랜트 내의 진공 송풍기의 배출부에서 소음 수준을(예컨대, 약 170 내지 180㏈로부터) 안전, 환경 및/또는 규제 기준을 만족시키도록(예컨대, 90㏈A까지) 감소시키기 위한 저렴하고 신뢰적이고 효율적인 소음기에 관한 것이다. 예컨대, 본 발명은 산소 또는 이산화탄소 VPSA 시스템의 진공 송풍기 배출부에서 사용하기에 적절할 것으로 예상되지만, 이에 제한되지는 않는다.

본 발명에 따른 소음기는 또한 흡착계 가스 분리 플랜트[예컨대, 가압 교대 흡착(PSA) 및/또는 VPSA 플랜트]의 공급 입구에 설치될 수 있다. 또한, 소음기는 예컨대, 산소 또는 질소를 생산하는 공기 분리용 PSA 시스템과 같은 다른 용도로 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 소음기는 소규모의 플랜트와 대규모의 플랜트 모두에서 사용될 수 있지만, 소음 감소의 이득은 더 큰 플랜트에 대해 확대될 것으로 예상된다.

종래 기술의 시스템에 비해, 본 발명은 제조를 더욱 용이하게 할 것으로 예상된다. 또한, 소음기가 종래 기술의 소음기에 비해 더 많은 반응성 및 흡수성 음소거 성능을 포함한다는 점에서 본 발명에 따라 생산된 소음기에서 더 높은 소음 감쇠가 예상된다.

본 발명에 따른 소음기는 저주파수 맥동을 감쇠하는 반응 챔버(reactive chamber)와 중간 주파수 내지 고주파수 소음을 감쇠하는 흡수 챔버(absorption chamber) 모두를 포함한다. 본원에 사용된, 소음기는 대기와 유동 소통하고 송풍기와 유동 소통하는 구조물이다. 본원에 사용된, 챔버는 적어도 하나의 입구 및 하나의 출구 개구를 갖는 인클로저이다. 소음기의 외부 및 내부 벽은 콘크리트로 형성될 수 있다. 강-외피형 소음기와 달리, 본 발명에 따른 소음기는 소음원으로 작용하지 않도록 설계된다. 저주파수 소음은 소음기에 대한 입구로 작용하는 적어도 하나의 개구와, 출구로서 작용하는 적어도 하나의 개구를 갖는 적어도 하나의 반응 챔버 내에서 제거된다. 2개의 반응 챔버가 서로 인접하게 위치되면, 하나의 반응 챔버의 출구는 인접한 반응 챔버에 대한 입구로 작용할 것이며, 이러한 챔버들 사이에는 분할 벽이 위치될 것이다. 적어도 하나의 흡수 챔버는 반응 챔버 성능보다 더 높은 주파수의 소음을 제거하도록 제공 및 설계된다. 적어도 하나의 흡수 챔버는 적어도 하나의 입구와 하나의 출구를 가지며, 적어도 하나의 음향 흡수 재료로 안감을 댄 내부 벽을 갖는다. 상기 적어도 하나의 흡수 챔버는 음향 흡수 재료 상에 입사되는 음파를 증진시키는 유동 경로를 제공하며, 이 유동 경로는 꾸불꾸불한 형태이다.

특히, 꾸불꾸불한 유동 경로는 음향 흡수 표면으로 입사되는 음파를 몇 배 증진시키며 음파는 직선 유동 경로에 비해 더욱 효율적으로 흡수된다. 양호한 실시예에서, 흡수 챔버의 내부 벽은 광범위한 주파수의 소음을 효과적으로 제거하는 음향 흡수 재료로 덮이는 것이 바람직하다. 또한, 흡수 챔버와 직접 유동 소통하는 반응 챔버의 내부 표면은 반응성 소음 감소와 흡수성 소음 감소 모두를 제공하도록 음향 흡수 재료로 덮일 수도 있다.

본 발명의 소음기는 적어도 하나의 반응 챔버, 바람직하게는 복수의 반응 챔버를 포함한다. 반응 챔버는 분할 벽에 적어도 하나의 개구를 포함한다. 이러한 개구는 압력 강하를 감소 및/또는 최소화하여 제조를 더욱 용이하게 한다. 가스 유동 경로의 단면적을 팽창 및 수축시킴으로써 소음기 내에서 반응성 음소거가 제공된다. 하지만, 대안적 실시예에서는 분할 벽 내에 단지 하나의 개구만이 존재할 수 있다. 하나의 반응 챔버(예컨대, 작은 송풍기)만을 포함하는 것도 가능하지만, 본 발명에 따른 바람직한 실시예는 통상 일련의 반응 챔버들을 포함할 것이다.

또한, 본 발명의 소음기는 적어도 하나의 흡수 챔버를 포함한다. 단지 하나의 흡수 챔버만이 존재하는 실시예에서, 흡수 챔버와 직접 유동 소통하는 반응 챔버는 흡수 성능을 제공하도록 흡수 재료로 덮이는 것이 바람직하다. 흡수 챔버의 특정 구조는 꾸불꾸불한 유동 경로를 제공하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 흡수 챔버의 모든 내부 벽은 음향 흡수 재료로 덮인다. 흡수성 음소거는 음향 흡수 재료로 덮인 큰 내부 표면적과 꾸불꾸불한 유동 경로로 인해 종래 기술에 비해 본 발명의 소음기에서 더욱 효과적일 것으로 예상된다.

상술된 바와 같이 그리고 후술되는 바와 같이, 본 발명의 소음기는 많은 종래 기술의 소음기의 강-외피 진동 문제 특성을 감소 및/또는 제거한다. 본 발명에 따른 반응 챔버는 음파를 음파원으로 반사시켜 발산된 음향 수준을 감소시킨다. 반응성 음소거를 제공하기 위해, 소음기는 가스 유동 경로의 단면적의 팽창 및 수축을 이용한다.

또한, 본 발명의 소음기는 많은 내부 부품을 갖는 소음기 또는 강-외피 소음기보다 제조가 용이할 수 있다. 강-외피 소음기는 종종 저주파수 맥동에 의해 외부 외피, 내부 분할 벽 및 임피던스 관의 균열 및 손상과 같은 파손을 겪는다. 본 발명에 따라 강-외피 구조를 제거함으로써 쉬운 구조와 간단한 내부가 제공된다. 그 결과, 본 발명의 소음기는 최소 또는 감소된 수의 선적 부품(shipped part)으로 플랜트 현장에서 전체적으로 제조될 수 있다. 따라서 본 발명의 소음기는 간단함과 개선된 음향 감쇠 성능의 이점 모두를 갖는다. 또한, 본 발명의 소음기는 소음기를 가로지르는 더 낮은 압력 강하의 이점을 제공하며, 이는 전체 플랜트 효율에 있어 중요한 고려 사항일 수 있다.

본 발명의 소음기는 예컨대 O₂-VPSA 플랜트와 같은 대규모 흡착계 공기 분리 플랜트를 건설할 수 있는 기술을 제공함으로써 중요한 경제적 이득을 제공한다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 소음기와 관련된 비용은 통상의 강-외피 소음기에 비해 저렴할 것으로 예상된다.

본 발명과 본 발명의 이점에 대한 더욱 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 함께 취해진 후속하는 상세한 설명을 참조한다.

도1은 진공 송풍기의 배출부에 소음기를 합체한 예시적 시스템을 도시하며,

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소음기를 도시하며,

도3은 진공 송풍기와 함께 사용하기 위한 도2의 소음기에 따른 가스 유동 경로를 도시하며,

도4는 본 발명에 따라 사용하기에 적합한 일 실시예를 따른 반응 챔버 내의 개구의 예시적 위치 설정을 도시하며,

도5는 반응 챔버에 대한 이론적으로 계산된 전달 손실(㏈) 대 주파수(㎐)의 그래프를 도시하며,

도6은 흡수 챔버에 대한 이론적으로 계산된 전달 손실(㏈) 대 주파수(㎐)의 그래프를 도시하며,

도7은 후술되는 바와 같이 본 발명에 따른 시험 유닛에 대해 실험적으로 계측된 음압 수준(㏈) 대 시간을 도시한다.

상술된 바와 같이, 본 발명은 소음기를 사용하여 진공 송풍기 소음을 감쇠하는 것에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 본 발명은 약 90㏈A까지 소음 수준을 감소시키는 저렴하고 신뢰적이고 효율적인 소음기를 제공한다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 소음기는 대규모 산소 VPSA 플랜트 내의 진공 송풍기의 배출부에 채용될 수 있다. 소음기는 저주파수 맥동을 감쇠하는 반응 챔버(reactive chamber)와 중간 주파수 내지 고주파수 소음을 감쇠하는 흡수 챔버를 포함한다.

소음기의 외부 벽과 내부 벽은 강화 콘크리트(예컨대, 강-보강 콘크리트)를 포함하는 콘크리트로 이루어질 수 있다. 하지만, 다른 구조 재료가 본 발명에 따라 사용하기에 적절할 수도 있다. 예컨대, 벽돌(brick) 및/또는 건축용(masonary) 블록이 사용될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 구조 재료는 반응 챔버와 흡수 챔버에 대해 달라질 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 반응 챔버는 콘크리트로 형성될 수 있으며, 흡수 챔버는 건축용 블록으로 형성될 수 있다. 반응 챔버와 흡수 챔버를 위한 구조 재료는 소음 감소를 촉진해야만 한다. 강-외피형 소음기(steel-shelled silencer)와 달리, 본 발명의 소음기는 소음원으로 작용하지 않을 것이다. 반응 챔버는 음파를 음파원으로 반사시켜 발산 음향 수준을 감소시킨다. 반응성 음소거(reactive silencing)를 제공하기 위해, 소음기는 가스 유동 경로의 단면적의 팽창 및 수축을 이용한다. 적어도 하나의 흡수 챔버는 꾸불꾸불한 유동 경로를 제공하고, 흡수 챔버의 전체 내부 벽은 고주파의 소음을 효과적으로 제거하기 위해 음향 흡수 재료(예컨대, 섬유 유리, 유리 솜, 광물면, 나일론 섬유 등)로 덮일 수 있다.

도1은 통상의 진공압 흡착(VPSA) 시스템을 도시한다. 도1에 도시된 바와 같이, VPSA 플랜트(10)는 흡착 사이클과 탈거(desorption) 사이클 사이를 오가는 하나 이상의 흡착제 베드(예컨대, 12, 14)를 포함한다. 탈거 단계 중, 상기 베드는 흡착된 가스를 폐기 가스로서 탈거 및 배출시키는 진공 송풍기(16)에 연결된다. 이러한 송풍기는 다량의 가스를 입구로부터 로브(lobe)와 비교적 일정한 체적의 케이스 사이의 포켓을 거쳐 출구로 이동시킨다. 이러한 방식으로 송풍기 내외로 유동하는 가스 유동은 안정적이지 않고 오히려 불연속적(또는 단속적)이다. 가스 포켓과 출구 배관 사이의 압력차로 인해, 로터 팁이 하우징을 세척(clear)할 때면 항상 압력 변동이 생성된다. 이러한 변동은 가스 맥동 및 소음을 생성한다. 이러한 맥동은 송풍기 크기 및 속도의 함수이며, 이때 더 큰 송풍기 크기와 더 빠른 회전 속도는 더 높은 맥동을 생성하여 소음 수준을 더 크게 한다.

맥동을 감소시켜서 배출된 가스에 의해 방산된 소음을 감소시키기 위해, VPSA 플랜트는 진공 송풍기의 배출부에 소음기(18)를 채용한다. 통상적으로 대형 진공 송풍기의 출구에서의 음압 수준은 170 내지 180 ㏈에 이를 수 있다. 하지만, 안전과 환경적 고려로 인해, 이러한 소음 수준은 대략 90㏈A 수준으로 감소될 필요가 있다.

또한, 예컨대 도1에도 도시된 바와 같이, 입구 소음기(20)를 포함하는 것이 바람직할 수도 있다. 본 발명에 따른 소음기는 도1에 도시된 바와 같이 입구 소음기로 사용되어 공급 송풍기(22)의 상류에 위치될 수도 있다. 본 발명에 따른 소음기가 진공 송풍기의 배출부에 연결되면, 진공 송풍기로부터의 가스는 반응 챔버를 통해 소음기에 진입하고 흡수 챔버를 통해 소음기를 빠져나간다. 소음기가 공급 송풍기의 흡입부에 연결되면, 대기로부터의 가스가 흡수 챔버를 통해 소음기로 진입하고 반응 챔버를 통해 소음기를 빠져나와 송풍기로 유동한다.

소음기의 전체 크기는 소정의 소음 감소 및 특정 가스의 유량을 포함하는 몇몇 인자에 따라 결정된다. 소음 감소는 주로 소음기 길이에 따라 결정되며, 소음기의 면적은 가스 유량에 의해 결정된다. 플랜트 크기가 증가함에 따라, 소음기를 통과하는 평균 유동도 증가한다. 따라서 소음기의 면적은 소음기 내에서 만족스러운 유동 속도를 갖도록 증가될 필요가 있다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 소음기 내에서의 음향 감쇠는 반응 섹션 및 흡수 섹션 모두를 이용하여 달성된다. 반응성 구성 요소는 주로 저주파수 범위(250㎐ 미만) 내에서 피크 소음 감소를 제공하고, 흡수성 구성 요소는 중간 주파수 범위(250 내지 500㎐)와 고주파수 범위(500㎐ 초과)에 대해 소음을 감소시킨다.

또한, 전술된 바와 같이 송풍기의 크기 및 속도는 소음기의 크기에 영향을 미친다. 따라서 당업자라면 본 발명에 따른 소음기가 이러한 기준에 적합하도록 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적 실시예는 예컨대, 약 35000scfm의 공기 유동에서 작동하고 약 1400rpm 내지 2200rpm의 속도로 구동할 수 있는 진공 송풍기와 같은 대형 진공 송풍기용으로 설계된 소음기를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 송풍기는 2개의 3-로브(tri-lobe) 로터를 구비할 수 있어, 맥동의 1차 주파수(primary frequency)는 샤프트 속도의 6배이다. 그 결과, 콘크리트 소음기는 140㎐ 내지 220㎐의 주파수 범위에 대해 소음 감쇠가 가장 잘되도록 설계될 수 있다. 또한, 음파의 주파수 스펙트럼 내의 이러한 주파수들의 더 높은 고조파(harmonic)가 존재하고, 본 발명의 소음기는 이러한 고주파수 소음을 감쇠할 수도 있다.

또한, 이러한 소음기 내의 유동 채널은 송풍기에 의해 제공된 35000scfm의 공기 유동을 충분하게 수용할 수 있도록 설계될 수 있다. 소음기 내측에서의 낮은 유동 속도는 낮은 압력 강하와 음향 흡수 재료의 열화 방지 모두에 중요하다. 설계 기준으로서, 소음기 입구에서의 유동 속도는 22.86㎧(75ft/s) 이하로 유지되는 것이 바람직하지만, 임의의 섹션에서 소음기 내측의 평균 유동 속도는 4.57㎧(15ft/s) 이하로 유지되어 흡수 챔버의 표면상의 흡수 재료(예컨대, 섬유 유리)의 열화를 방지한다. 또한, 흡수 섹션 내의 챔버들 사이의 개구의 길이는 챔버들 내에서의 압력 강하를 최소화하도록 챔버 길이의 대략 1/3로 유지되는 것이 바람직하다.

상술된 바와 같이, 소음기는 응용예들의 변동에 적응하도록 변경될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 소음기는 확대 축소가 가능한 구조로 설계될 수 있으며 다른 송풍기 속도(즉, 다른 유효 주파수 범위)와 유량에서 유효하도록 용이하게 설계될 수도 있다. 본 발명의 특징부를 포함하는 소음기는 또한 상술된 바와 같이 공 급 입구에서 사용되도록 설계될 수 있다.

설계에 의해, 본 발명을 따른 소음기는 배관 연결을 최소화하여 진공 송풍기의 배출부에 바로 위치될 수 있다. 이는 송풍기로부터 소음기로의 배관 연결부에서의 공진을 방지하는데 특히 유리할 수 있다. 이러한 배관의 길이는 진동의 1/4 파장과 동일하거나 또는 유사하면 안 된다. 이러한 방식으로, 배관 맥동이 최소화될 것이다. 공간을 줄이고 추가적인 방음을 제공하기 위해, 소음기와 특히 소음기의 반응 섹션은 지하에 위치될 수 있다. 소음기는 수직 또는 수평으로 연장할 수 있다.

전술된 송풍기에 대한 소음기(50)의 도시적이며 비제한적인 기하학적 형상이 도2 내지 도4에 도시된다. 상술된 성능(즉, 35000scfm의 공기 유동과 1400rpm 내지 2200rpm에서의 작동)을 갖는 송풍기의 예시적인 점유 공간(footprint)은 가로 및 세로 길이가 3.66m(12ft) 및 5.18m(17ft)이며, 높이가 7.32m(24ft)로서, 벽 두께는 약 30.48㎝(12인치)이다.

송풍기가 폐기 가스를 배출할 때, 맥동하는 유동이 입구 개구(26)를 통해 소음기로 진입하고 반응 챔버(28) 내로 팽창한다. 도시된 실시예에서, 소음기의 하부 섹션 내에 3개의 반응 챔버(28, 30, 32)가 존재한다. 이들 챔버 각각의 분할 벽(34, 36, 38)은 적어도 하나의 개구[예컨대, 다수의 0.61m(2ft) 직경 개구]를 가질 수 있다. 이러한 벽은 도4에 예시된다. 당업자라면, 이러한 챔버의 분할 벽 내의 개구에 대한 다른 배열이 본 발명에 따라 사용하기 위해 설계될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 분할 벽의 기하학적 형상은 상술된 바와 같이 일련의 챔버 내 의 가스 유동 경로의 단면적을 확대 및 축소할 수 있다. 이렇게 함으로써, 저주파수 소음과 맥동이 감쇠된다. 이는 반응성 음소거의 기본 원칙이다. 또한, 출구 개구의 전체 면적은 압력 강하를 최소화하기 위해 입구보다 약 33% 더 크도록 설계된다. 예컨대 그리고 도시적 실시예에서, 챔버(30)는 입구측의 분할 벽(34)에 3개의 개구[예컨대, 약 0.61m(2ft) 직경 개구]를 갖는 반면에, 출구측의 분할 벽(36)에는 이러한 개구가 4개 존재한다.

도2 내지 도4에 추가로 도시된 바와 같이, 소음기(50) 내에는 다수의 흡수 챔버(40, 42, 44)도 존재한다. 각각의 흡수 챔버(40, 42, 44)는 음향 흡수 재료(예컨대, 유리 섬유)로 안감을 댄 내부 표면을 갖는다. 이러한 안감(lining)은 중간 주파수 내지 고주파수 범위(250㎐ 초과)에서의 소음 감소를 촉진하도록 충분한 두께[예컨대, 몇몇 실시예에서 약 5.08㎝(2인치)의 두께)를 갖는다. 이러한 챔버들에서는, 고주파수 소음이 주로 음향 흡수에 의해 감쇠된다. 이러한 챔버들의 크기는 낮은 가스 유동 속도를 제공하도록 설계되어, 흡수 재료를 열화시키지 않고 낮은 압력 강하를 초래할 것이다.

폐기 가스는 소음기 상부의 개구(46)를 통해 대기로 배기된다. 소음기가 지하 유닛 또는 부분적인 지하 유닛으로 설계되면, 출구 개구(46)는 질소 질식(nitrogen asphyxiation)을 유발히지 않도록 지면 수준 위로 양호하게 연장될 필요가 있다. 상기 지면 설계에 있어서, 대부분의 응용예에서 이러한 출구에 비 덮개가 충족되어야 한다.

상술된 송풍기용 소음기에서는, 3개의 반응 챔버가 직렬로 제공된다. 챔버 의 수에 관계없이, 반응 챔버는 음파를 다시 음파원으로 반사시켜 발산 음향 수준을 감소시킨다. 반응성 음소거를 제공하기 위해, 소음기는 가스 유동 경로의 단면적을 확대 및 축소시킨다. 반응 챔버는 저주파수 소음(150㎐ 내지 250㎐)을 감쇠하는데 주로 효과적이다.

1차원 머플러 이론(one-dimensional muffler theory)에 의해 알려진 바와 같이, 단일 반응 챔버 내에서의 전달 손실의 양은 입구, 출구 및 챔버 면적의 크기에 의해 결정되지만, 챔버의 길이는 소음기의 유효 주파수 범위를 결정한다. 이러한 이유로, 챔버 길이의 선택은 효과적인 음소거에 매우 중요하다. 챔버의 길이가 파장의 1/4배수(L=λ/4, 3λ/4, 5λ/4, ...)와 동일하면, 전달 손실은 최대가 될 것이다. 반면에, 챔버 길이가 파장의 1/2배수(L=λ/2, λ, 3λ/2, ...)와 동일하면, 전달 소실은 영(0)이 될 것이다.

이러한 이론을 고려하여, 3개의 반응 챔버 각각은 관심 주파수 영역에서 소정 수준의 전달 손실을 제공하도록 설계된다. 반응 챔버의 수(예컨대, 3개)에 의해 제공된 총 전달 손실은 전달 손실의 수(예컨대, 3개) 각각의 합계이다. 상술된 실시예에 대한 3개의 챔버 각각에 의한 음파의 주파수의 함수로서 계산된 이론적 전달 손실(음향 감쇠)과 이들의 합계가 도5에 도시된다. 반응 챔버는 150 내지 250㎐의 관심 주파수 범위에서 대략 40 내지 50㏈의 전달 손실을 제공하도록 설계된다.

흡수 챔버는 진동하는 가스 입자와 섬유질/세공 음향 흡수 재료 간의 공간에서의 마찰에 의해 음향 에너지를 열로 전환함으로써 음향을 감쇠한다. 흡수성 소 음기는 중간 주파수 및 고주파수 소음을 감쇠하는데 효과적이다.

상술된 예시적 소음기에서, 흡수에 의한 음향 감쇠는 3개의 상부 플리넘 챔버(plenum chamber)에서 발생된다. 이들 챔버의 내부 표면에 흡수성 재료[예컨대, 5.08㎝(2인치) 두께의 섬유 유리]로 안감을 댄다. 아래 예에서 설명되는 시험 유닛에서는, 유닛은 상대적으로 짧은 기간동안 사용될 것이기 때문에 노출 섬유 유리(bare fiberglass) 패널만이 설치된다. 하지만, 섬유 유리 표면과 같은 흡수 재료는 흡수 재료의 표면 손상을 방지하기 위한 추가적인 보호부를 제공하도록 천공된 시트(예컨대, 천공된 얇은 금속 시트)로 덮인다. 이러한 천공은 개방 면적이 25 내지 50% 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

상술된 바와 같이, 섬유 유리 외에 상업적으로 구입 가능한 다른 재료가 음향 흡수 재료로 채용될 수도 있다. 섬유 유리 또는 섬유 유리와 유사한 재료를 사용할 때 중요한 기준은 재료가 약 12.19㎧(40ft/s)까지의 유동 속도를 견뎌야 한다는 것이다. 또한, 이러한 재료의 음향 흡수 특성은 약 148.89℃(300℉)까지 상승된 온도에서 열화되지 말아야 한다. 예컨대, 광물면, 나일론 섬유 등과 같은, 섬유 유리 외의 재료가 음향 흡수 특성이 송풍기를 빠져나가는 온도[예컨대, 약 148.89℃(300℉)]와 높은 표면 속도에서 열화되지 않는다면 흡수 챔버 내의 음향흡수 재료로서 사용될 수도 있다. 이러한 재료의 조합 역시 사용될 수 있다. 몇몇 특정 실시예에서, 흡수 챔버들은 약 50㏈ 음향 감쇠를 집합적으로 제공하도록 설계될 수 있다. 하지만, 흡수 재료의 음향 흡수 계수 및 챔버의 기하학적 형상이 흡수 챔버에 의해 제공된 총 감쇠(전달 손실)를 결정하는 것이 더욱 일반적이다. 1 개, 2개 및 3개의 챔버인 경우에 대해 각각의 옥타브 밴드에 대한 예측 계산된 전달 손실이 도6에 도시된다. 도6에 도시된 바와 같이, 흡수 챔버는 낮은 주파수에서보다 높은 주파수에서 더욱 효과적이다(예컨대, 3개 챔버의 흡수 섹션은 고주파수에 대해 50㏈에 가까운 음향 감쇠를 제공하는 것과 달리 140 내지 220㎐의 관심 주파수 범위에서 25 내지 30㏈의 음향 감쇠를 제공할 수 있다). 하지만, 실제로는 진입하는 음파가 순수한 저주파수 소음이 아닐 뿐만 아니라 다른 고조파로 인한 더 높은 주파수 소음을 갖기 때문에, 총 감쇠는 더 높아질 것이다.

소음기를 설계하는데 있어서 고려해야 할 다른 중요한 인자는 송풍기의 출구에서 소음기에 의해 유발되는 압력 강하[또는 배압(back pressure)]의 양이다. 더욱 낮은 압력 강하가 더 높은 전체 플랜트 효율을 위해 바람직할 수 있다. 컴퓨터적인 시뮬레이션과 실험적 결과 모두가 3개의 흡수 플리넘 챔버를 구비한 직렬인 3개의 반응 챔버를 갖도록 설계된 예시적인 소음기가 피크 유동 조건에서 약 105.46㎏/㎡(0.15psi)의 압력 강하를 제공하는 것을 나타낸다. 예측된 바와 같이, 압력 강하의 대부분은 여러 번의 유동 팽창 및 수축으로 인해 반응 챔버 내에서 발생한다. 이는 일부 통상적인 강 외피형 소음기의 압력 강하보다는 훨씬 작다. 플랜트가 피크 유량에서 연속적으로 작동하지 않기 때문에, 평균 압력 강하는 더 작을 것으로 예상되며, 몇몇 경우에는 훨씬 더 작아질 것으로 예상된다.

유닛은 수직으로 연장하는 구조로 제조될 수 있다. 소음기는 또한 수평으로 연장하는 구조 또는 수직 연장 구조와 수평 연장 구조의 조합으로 제조될 수 있다. 수직 연장인 경우, 다수의 섹션이 매우 제한적인 점유 공간상에서 제조될 수 있다. 이는 공간이 제한적인 경우에 유리하다. 대안으로, 수평 연장 구조는 공간을 절약하기 위해 지면 아래 배치될 수도 있다. 또한 지하 유닛은 흙에 의한 추가적인 방음의 이점도 제공할 것이다. 또한 소음기는, 예컨대 주된 저주파수 맥동이 반응 챔버 내에 존재하기 때문에 반응 챔버가 지하에 위치되는 부분적인 지하 유닛으로 설계될 수 있다. 다양하고 상이한 배열이 플랜트 영역 내의 가용 공간에 따라 이루어질 수 있다. 일부 장소에서, 플랜트 공간은 매우 제한적이지만, 다른 장소에서는 이러한 제한이 존재하지 않을 수도 있다.

후술되는 바와 같이, 시험 유닛의 반응 섹션에서 챔버를 분할하는 벽은 다수의 원형 0.61㎝ 직경[2 피트-직경(foot-diameter)] 개구를 갖는다. 하지만, 이러한 개구의 형상은 챔버의 출구 개구의 총 면적이 (압력 강하를 고려하여) 입구 개구보다 약 33% 더 크다면 사각형 또는 다른 형상일 수도 있다. 도시를 목적으로, 분할 벽(34) 상에 3개 이상의 구멍이 존재할 수 있거나 또는 제2 분할 벽(36)과 제3 분할 벽(38) 상에 4개 이상의 구멍이 존재할 수 있다. 구멍의 수가 증가하면, 구멍의 크기는 벽 상에서 총 개방 면적을 대략 동일하게 유지하도록 감소되어야 한다.

음소거 챔버의 현재의 기하학적 형상은 반응 챔버 내에서 필요한 음향 소거를 제공한다. 또한 관심 주파수 영역 내에서의 전달 손실을 향상시키기 위해 개구 내에 임피던스 관이 배치될 수 있다. 음파의 파장과 함께 상기 관과 챔버들의 상대적인 길이는 소음 감쇠에 있어서 개선 사항을 결정한다. 바람직하게는, 각각의 챔버 내의 관의 길이는 감쇠를 최대로 하기 위해 챔버 길이의 절반이어야 한다. 관의 표면을 천공하면 소음 감쇠를 더 증가시킬 수 있다.

후술될 시험 유닛 내의 콘크리트 벽의 두께는 30.48㎝(12인치)이다. 이러한 두께는 부분적으로는 수직 연장 소음기에 대한 구조적 지지부 제공에 기인한다. 수평 연장 또는 지하 유닛의 경우, 벽 두께는 30.48㎝(12인치)에 비해 얇은 15.24 내지 20.32㎝(6 내지 8인치)일 수 있다.

아래 예에서, 유닛은 3개의 반응 챔버와 3개의 흡수 챔버를 포함하였다. 챔버들의 수는 필요한 소음 감쇠를 위해 감소 또는 증가될 수 있다. 대안으로, 이들 챔버 중 일부는 반응성 소음 감쇠 및 흡수성 소음 감쇠 모두를 제공하도록 설계될 수 있다. 예컨대, 흡수 챔버에 가장 가까운 반응 챔버의 후반 스테이지의 내부 표면은 이들 챔버들 내에서 소음 감쇠를 향상시키도록 음향 흡수 재료로 덮일 수 있다. 바람직하게는 이러한 반응 챔버는 맥동의 수준이 흡수 재료 또는 흡수 재료 설비를 손상하지 않도록 대체로 감소돼야 하기 때문에, 흡수 챔버와 직접 유동 소통하는 반응 챔버이어야 한다. 따라서 이러한 챔버는 반응성 음향 감쇠 및 흡수성 음향 감쇠 모두를 제공할 수 있다.

아래 예에서 챔버 및 소음기의 특정 크기는 특히 공칭 작업 조건 하에서 35000scfm을 제공하는 대형 송풍기에 대해 설계되었다. 소음기는 간단하게 모든 유동 섹션 내의 체적 유량의 비만을 보전함으로써 더 크거나 더 작은 송풍기 크기에 대해 설계될 수 있다. 즉, 예컨대 25% 더 높은 출력을 제공하는 송풍기를 사용하면 유동 면적이 25%까지 증가된다.

흡수성 음소거를 증가시키기 위해, 내부 수직 및 수평 벽 패널은 상술된 바 와 같이 흡수 챔버 내측에 배치될 수 있다. 이러한 벽은 유동 영역을 두 섹션, 세 섹션, 네 섹션 또는 임의 수의 섹션으로 분할하며, 이 분할된 벽들의 양측은 소음을 추가적으로 감쇠하기 위해 음향 흡수 재료로 덮일 수 있다.

예

분석적 추산을 검증하기 위해, 실험적 연구가 전술된 크기와 기하학적 형상을 갖는 콘크리트 소음기의 시험 유닛을 제조하여 수행되었다. 특히, 소음기는 도2 내지 도4에 도시된 바와 같이 5.08㎝(2인치) 두께의 섬유 유리로 안감을 댄 3개의 흡수 챔버와 3개의 반응 챔버를 포함하였다. 소음기는 1400 내지 2200rpm으로 35000scfm 공기 유동에서 작동할 수 있는 송풍기와 함께 구동되도록 설계되었다.

압력 맥동 센서는 음압 수준을 계측하여 각 챔버의 효율을 계측하기 위해 각 챔버에 배치되었다. 계측은 송풍기의 상이한 진공 조건에서 로터의 다양한 회전 속도에 대해 수행되었다.

도7은 703.07, 2109.21, 3515.35 및 4921.49㎏/㎡(1, 3, 5 및 7psi)에서 작동되는 송풍기 입구와 1800, 2000 및 2200rpm의 송풍기 속도에 대한 소음기 내의 각 챔버의 출구와 송풍기 출구에 대한 음압 수준의 시험 결과를 도시한다(속도를 1800rpm로 고정한 상태에서, 밸브를 703.07㎏/㎡(1psi)으로 설정하여 데이터를 기록한 후, 밸브를 2109.21㎏/㎡(3psi)으로 변경하고 데이터를 기록하였으며, 3515.35㎏/㎡(5psi) 및 4921.49㎏/㎡(7psi)에 대해서도 데이터를 기록하였다). 송풍기 출구(상부로부터 첫 번째)와 챔버(3) 출구(상부로부터 네 번째)간의 측정된 음압 수준을 비교하여, 조합된 3개의 반응 챔버의 효과를 나타낸다. 설계된 바와 같이, 반응 챔버는 대략 40 내지 50㏈ 소음 감쇠를 집합적으로 제공하였다. 유사하게, 챔버(3)의 출구(상부로부터 네 번째)와 챔버(6)의 출구(마지막 챔버) 간의 음압 수준을 유사하게 비교하여, 3개의 흡수 챔버의 집합적 효과를 나타낸다. 측정된 결과는 흡수 챔버에 의한 대략 20 내지 25㏈의 음향 감쇠를 나타낸다. 소음기 출구에서 측정된 음압 수준이 송풍기와 모터 소음에 의해 영향을 받는다는 사실도 중요한데, 예컨대 소음기의 마지막 챔버 내측에서의 측정치는 소음기 출구의 수십 센티미터 밖에서의 측정치에 비해 흡수 챔버에 의해 대략 10㏈ 더 높은 소음 감쇠를 나타낸다. 시험 유닛은 실내에 위치되었다. 그 결과, 시험 결과는 실외 유닛에 비해 강하게 영향을 받았다. 하지만, 반응 챔버와 흡수 챔버에 대한 측정 결과 모두는 분석적 추산과 양호하게 일치한다.

당업자라면 상술된 특정 실시예가 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위해 다른 구조로 변경 또는 설계되는 기초로 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 또한, 당업자라면 이러한 균등한 구조가 후속하는 청구항에서 설명되는 본 발명의 사상 및 범주 내에 있다는 것도 쉽게 이해할 것이다.

Claims (15)

1. 가스 분리 시스템에서 소음을 감쇠시키는 소음기이며,

   외피;

   소음기 입구 개구;

   외피 내에 배치된 복수의 반응 챔버로서, 각각의 반응 챔버는 분할 벽에 의해 다른 반응 챔버와 분리되고, 각각의 분할 벽은 내부에 복수의 출구 및 입구 개구를 포함하며, 출구 개구의 전체 면적은 가스 분리 시스템에서 낮은 압력 강하 및 낮은 유동 속도를 위해 입구 개구의 전체 면적보다 33% 더 크도록, 소음기 입구 개구에서의 유동 속도는 75ft/s 이하의 평균 유동 속도로 제한되는 한편 소음기 내측의 평균 유동 속도는 15ft/s 이하로 유지되도록 출구 및 입구 개구가 설계되는, 외피 내에 배치된 복수의 반응 챔버; 및

   하나 이상의 분할 벽을 갖고, 복수의 흡수 챔버를 통과하는 꾸불꾸불한 유동 채널이 제공되는 복수의 흡수 챔버

   를 포함하며, 여기서 외피와 분할 벽은 콘크리트로 이루어지고, 적어도 하나의 흡수 챔버는 90 dBA 미만으로 소음 수준을 감소시키는 음향 흡수 재료로 덮인 소음기.
2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 덮인 흡수 챔버는 주파수가 250㎐를 초과하는 소음을 흡수 및 감소시키는 소음기.
3. 제1항에 있어서, 음향 흡수 재료는 유리 섬유, 유리 솜(glass wool), 미네랄 울 및 나일론 섬유를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 소음기.
4. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 덮인 흡수 챔버는 음향 흡수 재료의 표면상에 배치된 천공된 금속 시트를 더 포함하는 소음기.
5. 제4항에 있어서, 천공된 금속 시트는 25 내지 50%의 개방 면적을 포함하는 소음기.
6. 제1항에 있어서, 소음기는 흡착계 가스 분리 시스템에서 송풍기로부터의 소음을 감쇠하는 소음기.
7. 제6항에 있어서, 흡착계 가스 분리 시스템은 진공압 교대 흡착(VPSA, vacuum pressure swing adsorption) 시스템인 소음기.
8. 제6항에 있어서, 흡착계 가스 분리 시스템은 가압 교대 흡착(PSA, pressure swing adsorption) 시스템인 소음기.
9. 제1항에 있어서, 반응 챔버 사이의 분할 벽에서 하나 이상의 개구는 임피던스 관을 포함하는 소음기.
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